Introducción a los receptores GNSS de bajo costo

Sistemas GNSS (2). Vistazo general, conceptos, sistemas/plataformas satelitales

José Ramón Martínez Batlle
(Tw: @geografiard; GitHub: @geofis)

Universidad Autónoma de Santo Domingo
4-8 de septiembre, 2023
Santo Domingo, República Dominicana
https://geofis.github.io/rtk-para-todos/curso-sep23-t1.html

Vistazo general

Tus coordenadas

  • Te encuentras en el punto \(a\) del espacio \(xyz\), con coordenadas \(x_a,y_a,z_a\)

  • … y conoces las distancias (\(d_1,d_2,d_3\)) que te separan de tres puntos conocidos, e igualmente conoces las posiciones de dichos puntos \((x_1,y_1,z_1),...,(x_4,y_4,z_4)\).

  • Pues resolviendo un sencillo sistema de ecuaciones, podrás determinar tu posición \(x_a,y_a,z_a\) en el espacio \(xyz\).

Según NovAtel (2015)

Tus coordenadas

  • Hasta aquí todo bien, pero pero …

  • ¿Y no que se necesitan 4 satélites para obtener una coordenada?

Veamos esquemáticamente con un ejemplo bidimensional:

Según NovAtel (2015)

Según NovAtel (2015)

Según NovAtel (2015)

Según NovAtel (2015)

Según NovAtel (2015)

Evolución

Fuente: https://gssc.esa.int/navipedia/index.php/GPS_Space_Segment

Fuente: Reid (2017)

Segmentos

Según NovAtel (2015).

¿GPS? ¿GNSS?

  • GPS = Global Positioning System, sistema de posicionamiento global, es una constelación actualmente.

  • GNSS = Global Navigation Satellite System, sistema de navegación global por satélite. Múltiples constelaciones existen hoy.

Constelaciones

  • GPS. EUA, desde 70s, 27 satélites, ámbito global.

  • GLONASS=Global Navigation Satellite System (ГЛОНАСС=ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Rusia, desde 80s, 24 satélites, ámbito global.

  • Galileo=sistema europeo de radionavegación y posicionamiento por satélite. Unión Europea, desde 2011, 24 satélites operativos, ámbito global.

  • BeiDou=sistema de navegación por satélite (BDS=北斗卫星导航系统). China, desde 2000, 35 satélites en órbita, ámbito global.

  • IRNSS, QZSS. Constelaciones india y japonesa de ámbito local

Segmento espacial

  • Cada constelación tiene un número determinado de satélites, normalmente a más de 20,000 km sobre la superficie de la Tierra (nivel del mar como referencia).

  • Cada satélite transmite mensajes con, por lo menos, los siguientes mensajes: identidad (número/código identificador), hora precisa, órbita y estado.

Segmento de control

  • Red de estaciones en tierra de los siguientes tipos:

    • Control maestro (ajuste de órbita; para GPS hay dos, una primaria y otra de respaldo).

    • Subida de información (4 estaciones en GPS).

    • Monitoreo (monitorean la señal y estado; 16 estaciones en GPS).

Segmento usuario

  • Consiste en el personal y equipamiento para recibir y procesar la señal de las constelaciones GNSS.

  • Es el segmento masivo.

Frecuencia, señal y código en sistemas GNSSS

En el contexto de los GNSS:

  1. Frecuencia: Tasa de oscilación de la onda, determina velocidad y penetración de la señal.

  2. Señal: onda electromagnética que transmite información.

  3. Código: Datos binarios que modulan la señal para identificación y medición de distancia.

  • Resumiendo: frecuencia es la base de la señal, y código es la información modulada sobre la señal.

Frecuencias en sistemas GNSS

  • Son ondas con frecuencias mayores a las de la radiodifusión, pero inferiores a las del microondas.

  • La banda en la cual se encuentran se denomina “Banda L”, y algunos satélites de observación de la tierra que usan la tecnología de radar de apertura sintética usan esta banda.

  • Existe evidencia, al menos de laboratorio, de que podría existir interferencia entre señales emitidas por sensores activos de satélites SAR (e.g. ALOS-2) y las señañes de los sistemas GNSS.

Frecuencias del espectro electromagnético

  • Estas son las frecuencias del espectro electromagnético usadas por distintos vehículos satelitales GPS y GLONASS:

  • GPS (EE. UU.) (CDMA):

    • L1: 1575.42 MHz
    • L2: 1227.60 MHz
    • L5: 1176.45 MHz
  • GLONASS (Rusia) (FDMA):

    • L1: 1602 + k MHz
    • L2: 1246 + k MHz

Frecuencias del espectro electromagnético

  • Estas son las frecuencias del espectro electromagnética usadas por distintos vehículos satelitales Galileo y BeiDou:

  • Galileo (UE):

    • E1: 1575.42 MHz
    • E5a: 1176.45 MHz
    • E5b: 1207.14 MHz
    • E6: 1278.75 MHz
  • BeiDou (China):

    • B1: 1561.098 MHz
    • B2: 1207.14 MHz
    • B3: 1268.52 MHz

Fuente: NovAtel (2015)

Fuente: https://gssc.esa.int/navipedia/index.php/GNSS_signal

Longitud de onda

\(\lambda = c/f\)

  • Determinemos la longitud de una onda de 1.5 GHz (gigahercios) de frecuencia, es decir, de 1500 millones de ciclos (1.5 millardos de ciclos; NO confundir con “billón”, pues a diferencia del inglés, billón equivale a “un millón de millones”, mientras que el billion es “mil millones”).
wl <- 29979245800/1500000000
cat('Longitud de onda = ', wl, 'cm')
## Longitud de onda =  19.98616 cm

Códigos

Fuente: https://ee3550-gps.weebly.com/transmission-of-gps-signals.html

Modulación

  • Hay distintas formas de modulación: por amplitud, por frecuencia y por fase.

  • Los sistemas GNSS utilizan modulación por fase, específicamente BSFK binary phase shift keying.

¿Por qué usar modulación por fase?

  1. Resistencia al ruido: Menos sensible a interferencias.

  2. Eficiencia espectral: Mejor uso del espectro limitado.

  3. Precisión: Mayor exactitud en tiempo y posición.

  4. Integridad de señal: Correcciones de errores más efectivas.

  5. Multiplexación: Facilita combinar múltiples señales.

  6. Compatibilidad: Flexibilidad para actualizar o mejorar el sistema.

Fuente: https://mriquestions.com/signal-squiggles.html

Fuente: https://www.techtarget.com/searchnetworking/definition/QAM

Espectro ensanchado

  • Una consecuencia de este método de modulación es que la señal GPS usa un “espectro ensanchado” para ocupar un ancho de banda mayor al necesario para la información que transmite.

  • Señales L1, L2, L5 tienen anchos de banda más grandes de lo que sus frecuencias centrales sugieren.

  • C/A ocupa 2.046 MHz, P(Y) en L1 abarca 20.46 MHz, y la futura L1C será de 4.092 MHz.

Fuente: Sickle (2015)

Tasa fundamental

  • La tasa de todos los componentes de las señales del GPS son múltiplos de la tasa estándar (“fundamental”) de los osciladores.

  • La tasa estándar es de 10.23 MHz. Se conoce como la tasa de reloj fundamental y se simboliza como \(F_0\). Por ejemplo, las portadoras del GPS son \(154\times F_0\), o 1575.42 MHz, \(120\times F_0\), o 1227.60 MHz, y \(115\times F_0\), o 1176.45 MHz. Estas representan a L1, L2 y L5 respectivamente.

Modulación de códigos

Fuente: Sickle (2015)

Modulación de códigos

Fuente: https://gssc.esa.int/navipedia/index.php/GNSS_signal

¿Cómo determinar el tiempo de propagación (distancia) usando códigos?

Fuente: NovAtel (2015)

Fuente: Sickle (2015)

Comencemos de nuevo

Tus coordenadas

  • Te encuentras en el punto \(a\) del espacio \(xyz\), con coordenadas \(x_a,y_a,z_a\)

  • … y conoces las distancias (\(d_1,d_2,d_3\)) que te separan de tres puntos conocidos, e igualmente conoces las posiciones de dichos puntos \((x_1,y_1,z_1),...,(x_4,y_4,z_4)\).

  • Pues resolviendo un sencillo sistema de ecuaciones, podrás determinar tu posición \(x_a,y_a,z_a\) en el espacio \(xyz\).

Según NovAtel (2015)

Tus coordenadas

  • Hasta aquí todo bien, pero pero …

  • ¿Y no que se necesitan 4 satélites para obtener una coordenada?

Veamos esquemáticamente con un ejemplo bidimensional:

Según NovAtel (2015)

Según NovAtel (2015)

Según NovAtel (2015)

Según NovAtel (2015)

Según NovAtel (2015)

REFERENCIAS

NovAtel. (2015). An introduction to GNSS: GPS, GLONASS, galileo and other global navigation satellite systems. NovAtel.
Reid, T. G. R. (2017). Orbital diversity for global navigation satellite systems (PhD thesis). Stanford University.
Sickle, J. (2015). GPS for land surveyors. CRC Press Taylor & Francis.